Ферменты — регуляторы метаболизма в клетках организма

Биологическое значение, строение и механизм действия ферментов

Ферменты (энзимы) — это биологические катализаторы, то есть вещества, влияющие на скорость протекания химических реакций в организме: в клетках, в крови, в полости пищеварительного тракта. В метаболизме выделяют около двух-трех тысяч химических реакций, и подавляющее большинство химических реакций в организме протекает при участии ферментов.

По химическому строению большинство ферментов — это белки. В настоящее время известно около 3200 ферментов, хотя считают, что их общее число в живой природе приближается к 10 000. Среди ферментов белковой природы выделено в чистом виде около 1500, в кристаллическом виде получено примерно 500 ферментов. Известно небольшое количество (около десяти) ферментов полирибонуклеотидов, их называют «рибозимы».

Информация о первичной структуре всех ферментов организма содержится в «структурных» генах ДНК клеток организма. Отсутствие в организме некоторых ферментов как следствие дефектов генов, кодирующих их первичную структуру, является причиной наследственных заболеваний, проявляющихся специфичными для них нарушениями метаболизма. Например, изменения в обоих аллелях гена, кодирующего первичную структуру фермента галактокиназы, необходимого для превращения в глюкозу галактозы, моносахарида, содержащегося в молочном сахаре — лактозе, приводит к галактоземии, т. е. к увеличению уровня галактозы в крови. Вследствие этого у детей, питающихся молоком и, следовательно, получающих большое количество лактозы, как основного сахарида молока, развивается катаракта — помутнение хрусталика и происходит задержка психомоторного развития.

Клетки дифференцированного организма отличаются по набору экспрессируемых в них структурных генов, а следовательно, и по набору белков, синтезируемых в них, в том числе и ферментов. Этот набор ферментов является одним из основных факторов, определяющих особенности структуры и функциональную активность дифференцированной клетки, так как их набор предопределяет возможность протекания в клетке тех или иных химических реакций. То есть ферменты не только катализаторы реакций, но и «организаторы» метаболических процессов в клетках. В отличие от неорганических катализаторов, большинство ферментов обладает избирательностью, селективностью реагентов. Это значит, что ферменты специфичны субстрату катализируемой ими реакции, т. е. каждую биохимическую реакцию катализирует, как правило, один фермент. Ферменты более эффективны, чем неорганические катализаторы. В их присутствии реакция протекает значительно быстрее, чем при неорганическом катализе, и в «мягких» условиях: при относительно низких температурах 40—60 °С, давлении в 1 атм. и реакциях среды (pH), близких к нейтральным. Активность ферментов в клетках организма, их функциональная способность влиять на скорость биохимических реакций регулируется многими факторами и в том числе веществами-регуляторами — химическими сигналами системы саморегуляции организма: гормонами желез внутренней секреции (ЖВС), тканевыми гормонами, цитокинами, эйкозаноидами.

Как и неорганические катализаторы, ферменты не расходуются в ходе реакции, на скорость которой они влияют, и остаются неизменными после ее протекания. Следствием этого является то, что для протекания биохимических реакций требуется относительно небольшое количество каждого из ферментов.

Многие биохимические реакции обратимы, и при этом один фермент катализирует и прямую, и обратную реакции, сокращая время наступления равновесного состояния. Но, как правило, продукт прямой реакции является субстратом следующей реакции метаболизма, что препятствует протеканию обратной реакции. Вместе с этим, многие реакции сложных процессов метаболизма обратимы. При этом прямая реакция может относиться к катаболизму, а обратная — к анаболизму. Например, обратимы многие реакции гликолиза — анаэробного окисления глюкозы и глюконеогенеза, т. е. образования глюкозы из различных веществ. Вместе с тем, если в прямой реакции происходит затрата энергии, т. е. реакция сопряжена с гидролизом АТФ, то обычно обратную реакцию катализирует другой фермент.

Как и у других белков, у ферментов различают 4 вида (уровня) их структуры. Первичная структура, т. е. последовательность аминокислот в молекуле фермента, известна для нескольких сотен из них. Например, пепсин — фермент, выделяемый клетками желудка млекопитающих, содержит точно установленную последовательность из 341 аминокислоты. Первичная структура ферментов, как и у всех белков организма, предопределена последовательностью триплетов нуклеотидов в экзонах структурных генов ДНК и процессом сплайсинга м-РНК. Вторичная структура (спирализация или складчатость молекулы) определяется первичной структурой и, как правило, формируется самопроизвольно. Основным фактором, определяющим вторичную структуру белков, являются водородные связи между аминокислотами, входящими в их состав. Третичная структура, т. е. взаиморасположение частей молекулы в пространстве, известна у десятков ферментов. Третичная структура зависит, главным образом, от водородных связей между сильно отрицательными атомами в молекуле белка, а, кроме того, от состояния ионизируемых групп, т. е. свободных, не задействованных в пептидных связях аминои карбоксильных групп аминокислот, входящих в состав белка. Третичная структура зависит от зараженности различных участков молекулы белка и от гидрофобных взаимодействий в ней. Понятие четвертичная структура применимо только для белков, в том числе и ферментов, состоящих из нескольких полипептидных цепочек — субъединиц молекулы. Под четвертичной структурой понимают взаиморасположение в пространстве субъединиц белка и взаимосвязи между ними. В настоящее время созданы компьютерные базы данных по первичной структуре многих белков организма и их фрагментов. Они используются при исследованиях in silico, т. е. при компьютерном моделировании различных вариантов третичной и четвертичной структур определенных белков. Это позволяет прогнозировать функции белков и структуру веществ, способных взаимодействовать с определенными участками этих молекул.

Совокупность всех видов структур ферментов, их «архитектура», пространственная структура, обозначается понятием конформация. Отличие белков от полипептидов не только в длине аминокислотной цепи, но и в наличии у белков конформации. Формирование конформации, включая фолдинг белка (от англ, to fold — складывать, сворачивать) у некоторых белков, в том числе и ферментов, может происходить самопроизвольно. Однако в большинстве случаев в фолдинге участвуют специализированные на этой функции белки — шапероны. Они или осуществляют фолдинг, или препятствуют ему.

В молекуле ферментов выделяют несколько функционально значимых доменов, т. е. участков молекулы, имеющих характерное строение и определенную функцию. Так, у всех ферментов выделяют такой домен, как активный центр. Активный центр — это место взаимодействия фермента с субстратом (реагентами) реакции, катализируемой данным ферментом; место протекания определенной биохимической реакции. Обычно активный центр — это пространство, ограниченное 2—12 аминокислотами. В составе фермента может быть или 1 активный центр, как, например, у трипсина и карбангидразы, или несколько активных центров. Так у фермента уреазы — 3—4, у каталазы — 4, а у холинэстеразы — 20—10 активных центров.

В зависимости от строения фермента и его активного центра различают простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные) ферменты. Однокомпонентные ферменты являются простыми белками, т. е. в состав их молекулы входят только аминокислоты. Двухкомпонентные ферменты — это сложные белки, то есть в состав их молекул, кроме пептидной цепи или апофермента, входят другие вещества, имеющие небелковую природу.

Небелковый (не аминокислотный) участок молекулы фермента называется кофактор. Кофактор — это часть активного центра сложных ферментов. Без кофактора фермент не активен, т. е. не может выполнять свою каталитическую функцию. Сложный фермент как соединение апофермента и кофактора называют холоферментом.

В зависимости от прочности связи кофактора с апоферментом различают 2 вида кофакторов. Во-первых, это кофермент (коэнзим), а во-вторых, — простетическая группа. Кофермент легко отсоединяется от апофермента. В состав многих коферментов входят водорастворимые витамины. Коферменты большого количества ферментов — это нуклеотиды. К ним относятся (НАД), никотинамидаденпндинуклеотид- фосфат (НАДО), флавинаденпндинуклеотид (ФАД), коэнзим, А (КоА). В состав этих нуклеотидов входят водорастворимые витамины (витамин В₅ — это часть НАД и НАДО, В₂ — ФАД, В₃ — КоА). Более того, водорастворимые витамины являются частью многих других коферментов различной химической природы. Простетическая группа прочно соединена с апоферментом ковалентной связью. Простетической группой или ее частью обычно является атом (ы) металла. Примером металлосодержащей простетической группы является гем. В его состав входит атом железа. Гем является простетической группой таких ферментов, как цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза.

Особенностью сложных ферментов как катализаторов является то, что, присоединяя к себе на некоторое время функциональные группы, т. е. образуя фермент — субстратное соединение, они нередко сопрягают биохимические процессы. Так, функциональная группа или атомы одного из реагентов реакции присоединяются к кофактору фермента этой реакции, а он переносит ее в другую реакцию. Кофакторы сложных ферментов могут участвовать в реакциях, которые катализирует содержащий их фермент, и кофакторы ферментов могут взаимодействовать друг с другом. Например, в метаболическом пути углеводов в ходе пентозофосфатного цикла окисления глюкозы происходит восстановление кофермента одной из дегидрогеназ — никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ+), т. е. образуется НАДФ • Н + Н⁺. Этот кофермент может окисляться при биосинтезе жирных кислот, то есть может включаться в метаболический путь липидов. То есть НАДФ±содержащая дегидрогеназа связывает метаболические потоки различных биомолекул: катаболизм углеводов и анаболизм липидов.

Такое свойство фермента, как специфичность (селетивность, избирательность), способность фермента взаимодействовать только с определенным субстратом, взаимосвязано с характерным для каждого фермента строением активного центра, с определенной конформацией этого домена. Активный центр каждого фермента обладает пространственным соответствием его формы молекуле (лам) субстрата. Метафорической моделью этого соответствия считают замок и ключ, перчатку и пальцы.

Специфичность ферментов является проявлением «избирательности» взаимодействий живых систем и их окружения, основой одного из принципов организации живой природы — «предварительной готовности» к взаимодействиям. Ферменты не только катализаторы, но и «организаторы» биохимических реакций метаболизма живых систем, так как форма активного центра предопределяет реакцию, происходящую в клетке, а набор ферментов — особенности метаболизма в ней.

У многих ферментов есть такой домен, как алостерический (регуляторный) центр. Присоединение к этому центру низкомолекулярных веществ (эффекторов) изменяет конформацию активного центра, а следовательно, пространственное соответствие его формы структуре субстрата, улучшая или ухудшая его, что изменяет активность фермента.

Скорость химической реакции зависит от количества активных молекул — молекул, обладающих запасом свободной энергии, достаточным для взаимодействия с другими молекулами.

Количество активных молекул в системе можно оценить по уравнению (уравнение Максвелла-Больцмана):

где п_а — количество активных молекул, п_общ — общее количество молекул, R — газовая постоянная, Т — температура в Кельвинах, Е_а — энергия активации. Энергия активации — это разность между энергией активных молекул и средней энергией молекул в системе. Как следует из этого уравнения, чем меньше энергия активации, тем больше количество активных молекул, тем выше скорость протекании реакции.

Механизм действия ферментов, как и всех катализаторов, заключается в снижении энергии активации (Е_а) молекул субстрата при образовании нестойких комплексов между ферментом и субстратом как промежуточных соединений каталитических реакций. Ферменты обеспечивают возможность химического взаимодействия между молекулами субстрата при малом запасе у них свободной энергии.

При этом снижение энергии активации ферментом значительно эффективнее, чем у неорганических катализаторов. Например, известно, что самопроизвольное разложение пероксида водорода на молекулярный кислород и воду происходит при величинах свободной энергии молекул пероксида, равной 18 ккал/моль. В присутствии неорганического катализатора в виде мелкодисперсной платины эта реакция протекает при величинах свободной энергии активных молекул 12 ккал/моль. Фермент каталаза снижает энергию активации до 5,6 ккал/моль, т. е. такого запаса свободной энергии молекулам пероксида водорода достаточно для разложения, и поэтому скорость этой реакции в присутствии каталазы в миллион раз больше, чем в присутствии платины.

Снижение энергии активации субстрата происходит, как предполагается, в результате фиксации ферментом молекул субстрата и определенной ориентации субстрата в пространстве. Пространственное соответствие формы — не единственная причина сближения фермента и субстрата. Ему способствуют зараженность некоторых атомов активного центра и ионизированность субстрата, а также ван-дер-вальсовы силы.

Время, необходимое для сближения фермента и субстрата, составляет 10^-8—10^-9 с. После их сближения образуется нестабильное промежуточное соединение фермент-субстратный комплекс. Это промежуточное соединение образуется за счет того, что в активном центре, как правило, имеются или группы-доноры, или акцепторы протонов или электронов. Образование фермент-субстратного комплекса ослабляет химические связи между атомами в одной или обеих молекулах субстрата. Это или облегчает разрывы связей в молекуле субстрата, или обеспечивает реакцию взаимодействия между молекулами субстрата. Микрохимические изменения в активном центре продолжаются в течение 10^_1°—10^-11 с, т. е. биохимические реакции протекают при незначительных затратах энергии и с очень высокой скоростью.